綠色能源集成技術(shù)在大空間復(fù)雜場館中的應(yīng)用研究*

趙 毅，張紅永，蘆 文，劉 洋，胡 超

(中建三局集團有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430064)

0 引言

目前環(huán)境問題日益嚴峻，建筑對能量的大量消耗是一個重要原因。根據(jù)美國能源信息署(EIA)的預(yù)測報告，建筑能量消耗約占全球總量的76%；我國建筑總能耗約占全社會的25%，建筑的可持續(xù)生態(tài)設(shè)計成為大勢所趨。

大空間場館類建筑體量大、類型多、能耗高，由于其內(nèi)部功能空間及交通流線復(fù)雜，且采用綜合運營機制，大空間建筑消耗能源巨大。一方面，容積大使環(huán)境控制負荷加重，需優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，加大對自然能源的利用比重，減少對化石能源的依賴,減輕地球環(huán)境的負荷；另一方面，這種超尺度的“大”也激活了其環(huán)境控制的復(fù)雜機制，產(chǎn)生了有別于常規(guī)建筑的新內(nèi)容，因此須注重環(huán)境調(diào)節(jié)措施的系統(tǒng)化整合[1]。本文結(jié)合河南省科技館新館建設(shè)項目工程，介紹大空間場館類綠色能源集成技術(shù)的應(yīng)用，為類似工程提供參考。

1 工程概況

河南省科技館新館位于鄭州市鄭東新區(qū)，毗鄰象湖風(fēng)景游覽區(qū)。主場館共5層，地上4層，地下1層，總建筑面積10.51萬m2，建筑高43.85m，為目前全國最大的在建科技館項目，效果如圖1所示。

圖1 河南省科技館新館效果

項目展教功能完備，中庭部分為43m高的復(fù)合功能大廳，圍繞中庭設(shè)有豐富的主題展廳、特效影院空間、科普空間、設(shè)計研究管理空間及配套服務(wù)空間。

2 綠色能源集成技術(shù)應(yīng)用研究

基于當?shù)丨h(huán)境性能，設(shè)計并建造三星級綠色建筑，打造被動式節(jié)能場館，旨在建立一個微氣候環(huán)境，形成一個生態(tài)系統(tǒng)。

2.1 生態(tài)型循環(huán)水系統(tǒng)應(yīng)用研究

2.1.1下凹式綠地

本工程滿足海綿城市設(shè)計要求，具有調(diào)蓄功能的下凹式綠地(含雨水花園和景觀水體)面積6 389.9m2，約占綠化總面積的30.19%。

利用植被緩沖帶引導(dǎo)道路雨水進入場地開放綠地等空間，合理采取徑流切斷措施。道路雨水進入地面生態(tài)設(shè)施前，通過滯蓄過程控制污染和徑流，再進行良好銜接，有效保證水體的水質(zhì)和水量安全[2]。

道路雨水進入下凹綠地經(jīng)植被凈化后下滲或溢流到基地雨水管網(wǎng)，下凹綠地的設(shè)計降低了一部分道路雨水的徑流污染負荷，且具有一定的調(diào)蓄功能。綠色雨水設(shè)施如圖2所示。

圖2 綠色雨水設(shè)施示意

2.1.2透水鋪裝

本工程透水鋪裝面積為43 735m2，約占硬質(zhì)鋪裝地面面積的77.49%，采用植草磚、透水磚和透水混凝土，如圖3所示。地下室頂板上鋪設(shè)透水鋪裝時，覆土厚度≥600mm，且接連周邊一定面積的自然土壤，并在透水鋪裝的透水基層內(nèi)設(shè)置疏水板(滲透管)，排水層設(shè)陶粒過濾布(土工布)。

圖3 透水鋪裝

透水鋪裝代替硬化路面的設(shè)計使其在保持原有功能的前提下促進雨水下滲，削減雨水徑流。

2.1.3屋頂綠化

主館3層屋面處設(shè)置草坪式屋頂綠化，屋頂綠化設(shè)置在除采光頂、設(shè)備、管道、太陽能板等設(shè)施外的屋面處，如圖4所示。與普通硬化屋面相比，屋頂綠化可有效減少屋面徑流總量和徑流污染負荷。

圖4 屋頂綠化位置及構(gòu)造

2.1.4非傳統(tǒng)水源利用

1)回收范圍及用途 本項目共設(shè)置2套雨水回收利用系統(tǒng)，分別收集BS06-10-15，BS06-10-16地塊內(nèi)的屋面和場地雨水，經(jīng)處理達標后回用至各地塊內(nèi)景觀補水、綠化灌溉、道路和車庫地面沖洗；BS06-10-15地塊的雨水回用還包括冷卻塔補水。初期徑流棄流和溢流雨水排至市政雨水管網(wǎng)和象湖。

2)雨水處理工藝流程 場地雨水→管網(wǎng)收集→截流溢流井、棄流井→雨水收集池(沉淀)→砂濾→清水池→次氯酸鈉消毒→提升泵→回用。

3)水量平衡分析 通過對BS06-10-15地塊逐月雨水用量進行平衡分析，得到全年雨水用量平衡圖，如圖5所示。

圖5 雨水回用平衡設(shè)計

由圖5可知，景觀補水量為1 372.2m3/年，全部采用回用雨水，回用雨水量占水景蒸發(fā)量的100%。

參照GB 50555—2010《民用建筑節(jié)水設(shè)計標準》，計算得綠化道路澆灑等用水總量為6 342.9m3/年， 采用回用雨水量為2 694.7+2 948.0=5 642.7m3/年，占用水總量的88.96%。

冷卻塔補水總量為32 400m3/年，采用回用雨水量為6 859m3/年，占冷卻塔補水總量的21.17%。

2.1.5經(jīng)濟效益分析

初期土建與設(shè)備投入共100萬元，年節(jié)約運營成本5.41萬元，投資回收期約18.5年。雨水蓄水池設(shè)施除進行雨水資源化利用，還能起到控制徑流總量和削減徑流洪峰的作用減少雨水外排，減緩內(nèi)澇壓力[3]，具有良好的經(jīng)濟和環(huán)境效益。

2.2 低能耗暖通系統(tǒng)應(yīng)用研究

2.2.1排風(fēng)熱回收

裙房屋頂設(shè)置轉(zhuǎn)輪式全熱交換器，展廳及會議區(qū)域的空調(diào)箱設(shè)置轉(zhuǎn)輪型排風(fēng)熱回收機組，全熱效率為60%[4]。本項目采用的轉(zhuǎn)輪式全熱交換器及轉(zhuǎn)輪式排風(fēng)熱回收機組，總體成本回收期為4.9年，具有良好的經(jīng)濟性。

2.2.2可再生能源——地源熱泵

地源熱泵系統(tǒng)采用2臺制冷量為2 009kW、制熱量為2 200kW的螺桿式地源熱泵機組，布置1 000口100m 深雙U形地埋管井。

地源熱泵提供的空調(diào)用冷量為23%(2 009×2/17 400)、用熱量為72%(2 200×2/6 140)，剩余冷、熱量分別由定頻離心式冷水機組、風(fēng)冷熱泵機組和市政管網(wǎng)提供。

地源熱泵+冷水機組投資回收期約4.4年，具有良好的經(jīng)濟效益。

2.2.3可再生能源——太陽能熱水

1)熱水系統(tǒng) 北側(cè)廚房餐飲設(shè)集中熱水系統(tǒng)，熱源采用太陽能(見圖6)，燃氣熱水爐作為輔助熱源；南側(cè)(含東側(cè))廚房餐飲及淋浴設(shè)集中熱水系統(tǒng)，熱源采用地源熱泵提供的55℃高溫?zé)崴?。公共衛(wèi)生間洗手盆熱水由容積式電熱水器提供。

圖6 屋面太陽能集熱器

2)可再生能源熱水比例 北側(cè)熱水系統(tǒng)最大時耗熱量為158.5kW，太陽能提供71.3kW；南側(cè)熱水系統(tǒng)最大時耗熱量為287.4kW，全部由地源熱泵提供；公共衛(wèi)生間洗手用熱水最大時耗熱量為64.8kW，全部由電熱水器提供。

項目總熱水最大時耗熱量為510.7kW(1 838 409kJ/h)，可再生能源(太陽能和地源熱泵)提供358.7kW(1 291 320kJ/h)，占總熱水耗熱量的70.24%。

3)經(jīng)濟效益估算 可再生能源產(chǎn)熱量約25×106MJ/年，折合為天然氣的量(天然氣燃燒效率按90%計算，熱量折算系數(shù)按1Nm3=35.544MJ )，年節(jié)約費用約273萬元(天然氣均價取3.5元/m3，不考慮使用周期內(nèi)能源價格上漲)?？紤]地源熱泵輔助熱源折算(50%)及季節(jié)運行折算(50%)，年實際節(jié)約費用68萬元。太陽能和地源熱泵系統(tǒng)的初期投資預(yù)估為500萬元，則投資回收期約7.4年。

2.3 節(jié)能型電氣系統(tǒng)應(yīng)用研究

2.3.1高效照明系統(tǒng)

展廳、門廳、電影廳照明采用智能照明控制系統(tǒng)；樓梯間采用聲光控制感應(yīng)系統(tǒng)，走道及電梯廳、地下機動車庫行車道和車位照明采用建筑設(shè)備自動管理系統(tǒng)(BAS)；室外景觀、建筑夜景照明采用智能照明控制系統(tǒng)。

2.3.2節(jié)能型電氣設(shè)備

1)節(jié)能變頻電梯 分區(qū)采用群控、轎廂無人狀態(tài)時自動關(guān)燈技術(shù)，自動扶梯可感應(yīng)啟停[5]。

2)變壓器 選用高效率、低能耗、SCB13型環(huán)氧樹脂澆注低噪聲干式變壓器，滿足GB 20052—2013《電力變壓器能效限定值及能效等級》的節(jié)能評價值要求。

2.3.3建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)

1)本項目設(shè)計了建筑能耗自動計量系統(tǒng)，系統(tǒng)主機放置在4層設(shè)備監(jiān)控機房，通過統(tǒng)一管理平臺分類監(jiān)測建筑水、電、氣、冷熱量的使用情況。

2)對于電量計量，本項目設(shè)置用電分項計量裝置，包括照明插座、空調(diào)、動力及特殊用電計量[6]。此外，影院、商業(yè)、餐飲等租戶分別按戶設(shè)置帶通信接口的計量電表，實現(xiàn)分戶計量。

3)能耗監(jiān)測系統(tǒng)計量表精度不低于1.0級，電流互感器精度≥0.5級。電能計量表應(yīng)設(shè)RS485等通信接口，能耗計量系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置TCP/IP等通信接口，以實時上傳能耗數(shù)據(jù)。能耗監(jiān)測系統(tǒng)界面如圖7所示。

圖7 能耗監(jiān)測系統(tǒng)

2.4 室內(nèi)環(huán)境智能控制技術(shù)

2.4.1幕墻遮陽體系設(shè)計

本項目外窗和幕墻透明部分(見圖8)中可控調(diào)節(jié)遮陽措施面積占主要光照面的25%。

圖8 主場館幕墻系統(tǒng)分布

1)遮陽系統(tǒng) 采用固定穿孔鋁板+翻轉(zhuǎn)鋁板外遮陽+高反射可調(diào)內(nèi)遮陽簾的形式。

固定穿孔陽極氧化鋁板設(shè)置于除翻轉(zhuǎn)鋁板外遮陽外的所有區(qū)域，采光區(qū)陽極氧化鋁板構(gòu)造如圖9所示。翻轉(zhuǎn)鋁板外遮陽設(shè)置于西側(cè)主入口透明幕墻外側(cè)。可調(diào)內(nèi)遮陽簾設(shè)置于業(yè)務(wù)研究辦公室、會議室、管理保障房等主要功能房間的外窗內(nèi)側(cè)，報告廳、展廳高大空間透明幕墻內(nèi)側(cè)設(shè)置電動遮陽簾。

圖9 采光區(qū)陽極氧化鋁板構(gòu)造

2)自遮陽形體 在東、西側(cè)頂層相對于1層出挑一定寬度；入口底部設(shè)拱門與大懸挑，提供氣勢恢宏的半室外空間，同時形成有效的水平遮陽(見圖10)。

圖10 自遮陽形體

2.4.2室內(nèi)空氣質(zhì)量

1)室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng) 在展廳、報告廳等人員密度高且隨時間變化的區(qū)域設(shè)置CO2濃度傳感器、室內(nèi)污染物濃度傳感器，對室內(nèi)CO2、污染物濃度進行數(shù)據(jù)采集、分析，并與通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動。當CO2濃度>1 800mg/m3、室內(nèi)污染物濃度超標時實時報警，自動啟動送排風(fēng)系統(tǒng)，及時補風(fēng)換氣，保證室內(nèi)空氣質(zhì)量。

2)CO監(jiān)測 地下車庫通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置CO濃度監(jiān)控系統(tǒng)，每個防火分區(qū)布置1個CO濃度監(jiān)測裝置，當CO濃度>30mg/m3時，發(fā)出報警信號，并聯(lián)動控制車庫通風(fēng)機開啟。

3 結(jié)語

河南省科技館新館建設(shè)項目屬于大空間展館類建筑，通過創(chuàng)新應(yīng)用綠色建筑全生命周期能源集成技術(shù)，可改善建筑環(huán)境物理性能，提高空間品質(zhì)[7]，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟、社會效益，取得的階段性成果可為后續(xù)同類項目的綠色集成建造技術(shù)提供參考經(jīng)驗和實踐支撐。